硅在鑄鐵中的固溶強化作用

2015-12-26 02:37:47

金屬加工(熱加工) 2015年1期

硅在鑄鐵中的固溶強化作用

李傳栻

分析了硅在灰鑄鐵和球墨鑄鐵中的固溶強化作用，詳細介紹了硅固溶強化球墨鑄鐵的力學性能，并在此基礎上提出了在生產應用中幾點看法。

近年來，為了適應多方面的要求，各種新工藝、新材料不斷涌現，輕合金鑄件、鑄鋼件的應用都發展很快，但到目前為止，鑄鐵件的需求量仍然穩居首位。

2012年，世界各國各類鑄件的總產量為10083萬t，其中：灰鑄鐵件4599.6萬t，占45.6%；球墨鑄鐵件2516.7萬t，占24.9%；可鍛鑄鐵件127.5萬t，占1.3%。也就是說，目前世界各類鑄件的總產量中，灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件就占70%以上。

近年來，為了遵循可持續發展的理念，除了對鑄鐵件功能的要求日益增強以外，還增加了輕量化、低成本、節能減排、珍惜資源等多方面的要求。因此，各國鑄造行業都非常重視改進鑄鐵材質方面的研究、開發工作。

硅是地殼中蘊藏最豐富的元素，無匱乏之虞，而且在各種鑄鐵中，硅都是主要構成元素之一，對鑄鐵組織中石墨的形態、數量，乃至基體組織的形成，都有非常重要的作用。但是，時至今日，硅在鑄鐵中的作用，我們的認知還很不夠，有待進一步探索的空間仍然廣闊。

一、硅在鑄鐵中的作用

硅在鑄鐵中的作用是多方面的，其中，我們最關注的首先是“促進石墨化”和“固溶強化”兩項，除此以外，硅還有不少重要的作用。

在這里，簡單地提一提以下兩點：

（1）溶于液態鑄鐵中的硅，使鐵液抗氧化能力大為增強，而且硅還可使氮在鐵液中的溶解度降低。正是由于硅的這種作用，鑄鐵才可以在強氧化性、富氮的條件下熔煉。各種鑄造合金中，只有鑄鐵才能用沖天爐、氧氣回轉爐這類熔煉設備，在富氧、富氮的氣氛中熔煉。

（2）將鑄鐵中wSi提高到3.5%以上，鑄鐵的抗氧化能力、抗熱生長性能都大為改善。早期，各國耐熱鑄鐵的標準中，就都有了硅系耐熱鑄鐵的牌號。近年來，出于節能的考慮，各種內燃機提高了排氣的溫度，各國汽車行業中，都很重視耐熱硅鉬球墨鑄鐵件的應用。

1. 促進石墨化的作用

鑄鐵中硅是促進石墨化作用最強的合金元素，硅促進石墨化的能力，是鎳的3倍，銅的5倍。

無論在液態或固態的鑄鐵中，硅與鐵結合的作用都比碳強。液態鑄鐵中含有硅，就會使碳的溶解度降低。鐵液中硅的含量越高，碳含量相應地越低，就會有更多的碳被排擠出來。

鐵液為過共晶成分時，硅含量高，凝固過程中，就有更多的碳以初生石墨的形態析出，直到剩余的鐵液達到共晶成分后發生共晶轉變。

鐵液為亞共晶成分時，凝固過程中，硅富集于初生奧氏體中。共晶轉變時，硅富集于早期結晶的共晶奧氏體中，抑制碳與鐵化合成滲碳體，增強碳在奧氏體中的擴散速度，促使碳以共晶石墨的形態析出。

共析轉變時，固溶于奧氏體中的硅，仍然抑制碳與鐵形成滲碳體，增快碳在奧氏體中的擴散速度，促使碳以共析石墨的形態析出。

在灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和黑心可鍛鑄鐵中，碳和硅是影響石墨形態、數量的主要元素。就是基本上不含石墨的白心可鍛鑄鐵，在其脫碳退火的過程中，硅促進碳在奧氏體中擴散，對于這種可鍛鑄鐵的脫碳也有重要的作用。

此外，鑄鐵中的氧和氮都有穩定碳化物的作用。鑄鐵中含有的硅，可以使其中的氧、氮含量降低，這樣，又間接地增強了硅的石墨化作用。

2. 硅在鐵素體中的固溶強化作用

在固態的鑄鐵中，硅幾乎全部固溶于奧氏體和鐵素體，不進入碳化物。硅原子與鐵原子可以結合成具有強共價鍵的含硅鐵素體，不僅促進鐵素體形成，而且使鐵素體強化的作用很強。

為了解硅強化鐵素體的能力，避免石墨形態和其他合金元素的影響，20世紀50年代，國外有人在碳含量為0.1%、不含其他合金元素的鋼中，加入不同量的硅，以比較硅對力學性能的影響，結果見表1。表1中還列出了組織為全部珠光體、不含其他合金元素的碳鋼的性能，供對比。

由表1可見，硅強化鐵素體的作用很明顯。硅含量的提高后，抗拉強度和硬度都隨之提高。但是，硅固溶強化的鐵素體，抗拉強度和硬度的值仍明顯地低于珠光體。

鑄鐵中，利用硅的固溶強化作用，可以減少或不用銅、鎳、錫、鉬、鉻等提高強度的合金元素，當然是有益的。可是，很長時間以來。鑄造行業還沒有充分地利用硅的這種潛能。

就灰鑄鐵而言，由于片狀石墨切割基體的作用很大，鑄鐵的強度不高，一般對伸長率也不要求。雖然提高灰鑄鐵的強度，主要是靠控制石墨的形態、數量，以及減小共晶團的尺寸，但也不能不盡可能地增強基體組織。除需求量很少的低牌號灰鑄鐵外，一般都要求基體組織全部為珠光體。為了得到珠光體基體，鑄鐵中的硅含量當然不宜太高。因此，鑄造行業的同仁也就很少注意硅的固溶強化作用。

就球墨鑄鐵而言，所有的牌號對伸長率都有嚴格的要求。由表1可見，珠光體中固溶的硅量增多，伸長率相應地有所降低，硅含量超過3%后尤為明顯。

此外，從很多有關球墨鑄鐵力學性能的試驗報告中，都可見到類似的數據。

經相當長的一段時間逐漸形成了這樣一種觀念，即：鑄鐵中的硅含量太高，會導致延展性、韌性降低。因此，硅的固溶強化作用往往沒有受到重視。實際上，有些試驗中只考慮硅含量的改變，忽略了其他因素的影響，無意中夸大了硅的“脆化”作用。

二、硅固溶強化作用的應用

硅在球墨鑄鐵中的固溶強化作用，最近已經受到了廣泛的關注。談到這里，不能不提及我國三十多年前在灰鑄鐵方面所做的工作。

1. 硅在灰鑄鐵中的固溶強化作用

牌號HT250以上的灰鑄鐵，基體組織都是珠光體。為了確保強度達標，生產中通常都加入銅、錫、銻之類的合金元素。

珠光體中，鐵素體約占90%，如果適當地提高鑄鐵中的硅含量，在鐵素體中起固溶強化作用，而鑄鐵組織中又不至于出現鐵素體，當然可以節省合金元素，同時也簡化了操作。

1980年前后，北京鋼鐵學院（現在的北京科技大學）鐘雪友等人進行了這方面的研究、試驗工作。在灰鑄鐵碳當量為4.05%左右的條件下，適當地提高硅含量（Si/C比為0.78左右），不加合金元素，鑄鐵的抗拉強度就可以保持在300MPa以上。

20世紀80年代，這項工藝曾在多家鑄造廠得到確認和應用。

2. 硅在球墨鑄鐵中的固溶強化作用

表1 不同硅含量的鐵素體的力學性能

生產球墨鑄鐵件，球化率、石墨球數量和石墨球平均尺寸等是基本的質量要求。在石墨球化正常的條件下，其切割基體的作用較在灰鑄鐵中大為減輕。通過控制基體組織，可以在很大的范圍內調整球墨鑄鐵的力學性能，以適應多種不同工況條件的要求。除等溫淬火球墨鑄鐵和高鎳奧氏體球墨鑄鐵外，常規的球墨鑄鐵目前已有十多種牌號，抗拉強度可以在350～900MPa之間改變，最低伸長率則可相應地在22%～2%之間改變。

QT450-10、QT500-7、QT550-5和QT600-3等牌號的球墨鑄鐵件，都由控制基體組織中鐵素體與珠光體所占的份額，以確保力學性能符合要求。一般說來，生產這類球墨鑄鐵件時，應力求通過控制鑄鐵的化學成分和生產過程中的各項工藝條件，使鑄件的鑄態組織符合要求，以避免費時、耗能的熱處理工序。

在工藝控制不足以確保鑄鐵強度的情況下，加入少量銅、鎳之類的合金元素，也是常用的應對措施。但是，這樣做既提高了生產成本，還要耗用珍貴的資源。

隨著對球墨鑄鐵認識的逐漸深化，十多年前，歐洲就開始注意到硅在球墨鑄鐵中強化鐵素體的作用，瑞典的研究工作發現：用途很廣的QT500-7牌號球墨鑄鐵中，將硅含量提高到3.5%，基體組織全部是鐵素體，不僅可以在保持抗拉強度在500MPa的條件下提高伸長率，更為重要的是，鑄件的硬度均勻，可加工性顯著改善。

在此基礎上，國際標準ISO1083《球墨鑄鐵分類》2004年修訂時，補充了一項“高硅球墨鑄鐵”的牌號JS500-10。

歐洲標準EN 1563《球墨鑄鐵件》2011年修訂時，補充了3項“固溶強化鐵素體球墨鑄鐵”牌號，見表2。

2012年，德國Herbert L?blich發表了有關硅固溶強化的鐵素體球墨鑄鐵力學性能的研究報告。2013年，日本九州大學和日之出水道機器公司技術開發部也對此進行了試驗研究。

三、硅固溶強化球墨鑄鐵的力學性能

近年來，關于硅固溶強化球墨鑄鐵的力學性能，已經發表了不少研究報告。目前見到的文獻資料中，日本九州大學和日之出水道機器公司提供的數據比較全面，在這里簡要地介紹給大家，供參考。

試驗中，熔煉兩種珠光體-鐵素體球墨鑄鐵（QT1、QT2），兩種高硅鐵素體球墨鑄鐵（SiQT1、SiQT2），鑄造厚度30mm、高50mm、長200mm的U形試塊，然后制成試樣，測定力學性能。QT1、QT2相當于QT500-7和QT600-3。SiQT1和SiQT2則是在二者的基礎上提高硅含量，并相應地調整碳含量和其他成分。